半導(dǎo)體分立器件行業(yè)用焊料現(xiàn)狀

張煥鹍 朱捷 趙朝暉 盧茂成

一、焊料在半導(dǎo)體封裝行業(yè)中的作用

在半導(dǎo)體分立器件封裝行業(yè)中，焊料的作用是通過(guò)焊接將引線、框架與晶粒進(jìn)行連接，形成牢固的電路導(dǎo)通和熱傳導(dǎo)，使元器件具備穩(wěn)定、可靠的使用性能。根據(jù)分立器件封裝工藝及應(yīng)用要求的特點(diǎn)，焊料需滿足的要求有以下3方面：熔點(diǎn)高于260℃——滿足二次回流（無(wú)鉛回流焊）中封裝焊點(diǎn)不熔化；合金硬度小——半導(dǎo)體晶片較脆，受到合金應(yīng)力及后道加工過(guò)程影響，容易被擠碎；潤(rùn)濕——能夠與銅、銀、鎳形成牢固的冶金結(jié)合。

目前行業(yè)中廣泛使用的合金為錫（Sn）-鉛（Pb）-銀（Ag）、Sn-Pb系列合金，詳見(jiàn)表1。由于沒(méi)有合適的無(wú)鉛焊料可以替代，所以盡管《在電子電氣設(shè)備中限制使用某些有害有害物質(zhì)的指令》（ROHS指令）限制了Pb的使用，但在半導(dǎo)體封裝行業(yè)焊料仍屬于豁免項(xiàng)。

在半導(dǎo)體分立器件中，整流橋、二極管、功率模塊、可控硅等都會(huì)使用到焊料。根據(jù)焊料的使用工藝不同，焊料的形式主要分為焊膏、焊絲、焊片3類(lèi)。其中軸向二極管使用焊片，其他二極管及整流橋、功率模塊多使用焊膏，可控硅使用焊膏和焊絲。

二、焊料的種類(lèi)

半導(dǎo)體分立器件封裝行業(yè)使用的焊料按形態(tài)分主要分為焊膏、焊絲、焊片3種，如圖1所示。而隨著表面貼裝技術(shù)（SMT）的發(fā)展，電子組裝中原有插裝元件逐步被貼片元件替代，使近年來(lái)軸向二極管的需求量受到一定影響。焊膏以其膏狀的不定型特性、涂覆方式的多樣性，越來(lái)越多地取代了原有焊片、焊絲。

1.焊膏

焊膏，顧名思義，是膏狀的焊料，是由合金焊粉與助焊膏按質(zhì)量比約9∶1、體積比約1∶1混合而成的膏體。其中，焊粉焊后形成最終的焊點(diǎn)。而助焊膏是在焊接過(guò)程中，起到還原焊粉與被焊接件表面的氧化層助焊的作用。焊膏根據(jù)焊料的涂覆工藝不同，具備不同的流變特性。

2.焊絲

焊絲是焊料合金通過(guò)擠壓形成的絲狀焊料。常用的焊絲有直徑Φ0.5mm及Φ0.76mm兩種規(guī)格，直徑與單個(gè)元件的焊料用量有關(guān)。這里存在一個(gè)誤區(qū)，傳統(tǒng)的焊錫絲是有藥芯的，而高溫焊絲是純金屬絲，自身不具備還原性。因此焊絲的抗氧化性能，直接關(guān)系到焊接時(shí)鋪展?jié)櫇窦昂负罂斩绰省?img src="https://cimg.fx361.com/images/2020/05/08/qkimagesclcyclcy201501clcy20150117-1-l.jpg"/>

焊絲合金中含有某種微量元素，用來(lái)降低合金熔化狀態(tài)下的表面張力，增強(qiáng)焊料的鋪展?jié)櫇衲芰Γ鐖D2所示，同時(shí)有助于提升合金自身的抗氧化性能。

三.使用工藝

1.焊膏工藝

焊膏的使用分為2部分：涂覆與焊接。焊膏涂覆首先錫膏通過(guò)3種工藝涂覆到焊接位置：針筒點(diǎn)涂、針轉(zhuǎn)移沾膠、鋼網(wǎng)印刷，如圖3。點(diǎn)涂工藝膏量控制精準(zhǔn)，自動(dòng)化程度較高，根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)不同，可選用不同樣式的點(diǎn)膠針頭，有1出1針頭、1出4針頭，甚至1出20針頭。

針轉(zhuǎn)移工藝粘膠效率較高，但膏量精準(zhǔn)度較點(diǎn)涂工藝低，適用于50min左右的膏量要求，可同時(shí)完成500～1 000的沾膠點(diǎn)。但針轉(zhuǎn)移工藝無(wú)法滿足大面積焊膏涂覆要求。

印刷工藝，大面積涂覆工藝，適用于大晶粒焊接的情形。

2.焊接工藝

目前焊接工藝從錫膏角度（焊接時(shí)間）講，可分為2類(lèi)：長(zhǎng)曲線焊接與短曲線焊接。

長(zhǎng)曲線焊接，該工藝焊接時(shí)間較長(zhǎng)，一般在50～120min之間，其中加熱段均控制在30min以?xún)?nèi)，焊接設(shè)備已隧道爐為主。短曲線焊接，焊接時(shí)間控制在6～8min，分段加熱，爐子結(jié)構(gòu)多為設(shè)備廠家自行設(shè)計(jì)。

3.焊絲工藝

高溫焊絲通過(guò)自動(dòng)焊接設(shè)備完成。設(shè)備將焊絲剪斷后，在充滿還原性氣氛下，放置到高溫焊盤(pán)上熔化，并通過(guò)強(qiáng)制鋪展，進(jìn)行晶粒焊接。

四、焊料應(yīng)用中的關(guān)鍵點(diǎn)

1.合金

合金關(guān)系到焊料的熔點(diǎn)、潤(rùn)濕鋪展性能，以及焊后焊點(diǎn)的力學(xué)性能、電性能、導(dǎo)熱性能等，是焊料的第一關(guān)鍵指標(biāo)。

以Sn5/Pb92.5/Ag2.5合金為例，由于Pb-Cu屬于難混溶體系，因此在與銅框架焊接時(shí)，Sn、Ag與Cu可形成了穩(wěn)定的金屬化層，尤其是Ag的存在，對(duì)焊料在Cu表面的潤(rùn)濕及焊點(diǎn)的強(qiáng)度起到至關(guān)重要的作用。因此盡管?chē)?guó)標(biāo)中規(guī)定Sn5/Pb92.5/Ag2.5中Ag含量為2.5%±0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），一些負(fù)責(zé)任的焊料廠家會(huì)把Ag含量控制在2.5%±0.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）或2.5%±0.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），以保證Ag對(duì)合金的可靠性。

2.空洞

空洞是分立器件生產(chǎn)過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題，主要影響分立器件的電性能，對(duì)二極管正向電壓、正向浪涌有一定影響。同時(shí)空洞位置截溫高、發(fā)熱大、影響散熱，對(duì)功率元件影響更為嚴(yán)重。

形成焊點(diǎn)空洞的因素很多，但主要與焊接表面氧化層（晶?？珊感裕?、表面結(jié)構(gòu)（預(yù)開(kāi)槽、凸點(diǎn)）、焊料中助焊膏揮發(fā)、焊接工藝有關(guān)。使用X-ray檢測(cè)可清晰觀察到焊接空洞，并通過(guò)空洞的形狀、分布分析空洞形成的機(jī)理，如圖4所示。根據(jù)在使用工藝、焊接工藝的調(diào)整，一定程度上可以彌補(bǔ)表面氧化層與結(jié)構(gòu)的缺陷。

3.殘留物清洗

殘留物清洗是廠家比較關(guān)注的問(wèn)題。由于半導(dǎo)體焊膏焊接溫度高、焊接時(shí)間長(zhǎng)（隧道爐焊接），松香基助焊膏在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高溫后，會(huì)出現(xiàn)固化、燒焦的情況，焊后清洗成為問(wèn)題。

廠家常選用異丙醇、無(wú)水乙醇、美紗克隆等溶劑與三氯乙烯、二氯乙烷等清洗力較強(qiáng)的溶劑混合使用，在高溫、超聲工藝下進(jìn)行清洗。隨著企業(yè)環(huán)保要求、安全意的識(shí)日益提高，溶劑類(lèi)清洗劑毒性大、易燃易爆的問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)，因此除了溶劑類(lèi)清洗劑外，生產(chǎn)廠家還可選用水基清洗劑。

五.半導(dǎo)體焊料未來(lái)的發(fā)展

1.無(wú)鉛合金

盡管目前半導(dǎo)體封裝焊料處于RoHS豁免階段，但焊料行業(yè)始終未停止對(duì)無(wú)鉛高溫合金的研究與探索。近期Sn/Sb/Ni合金的出現(xiàn)，引起了封裝行業(yè)的關(guān)注，其260℃的固相溫度，已達(dá)到二次封裝的要求的下限。但由于該合金硬度偏大，在現(xiàn)有工藝下制程下，在大晶片封裝時(shí)會(huì)受到一定的限制。相信不久后通過(guò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)，無(wú)鉛合金能夠在現(xiàn)有產(chǎn)品中得到應(yīng)用。

2.合金細(xì)分

目前行業(yè)內(nèi)使用的焊料合金以Sn5/Pb92.5/Ag2.5為主，有些企業(yè)為二次封裝還會(huì)選擇與Sn5/Pb92.5/ Ag2.5有熔化溫度梯度的Sn10/ Pb88/Ag2及Sn10/Pb90搭配使用。而隨著上下游行業(yè)的發(fā)展，元件的應(yīng)用行業(yè)細(xì)分會(huì)越來(lái)越關(guān)注合金性能與元件使用環(huán)境的匹配。例如Sn1.5/ Pb97.5/Ag1.0在汽車(chē)電子行業(yè)的應(yīng)用，就是考慮到該合金拉伸強(qiáng)度方面的特性。

3.殘留物

焊膏焊后殘留物清洗問(wèn)題將是未來(lái)焊膏技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)，發(fā)展方向主要分為2個(gè)方面，一是更易清洗的殘留物；二是開(kāi)發(fā)超低殘留焊膏。

目前行業(yè)內(nèi)焊膏中助焊膏的含量約為10%～14%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），而焊接完成后助焊膏殘留物的量約占焊點(diǎn)的3%～5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），而新型焊膏殘留物的量可降低至0.2%～0.4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。同時(shí)新型焊膏的殘留物性狀穩(wěn)定，不會(huì)與黑膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在絕緣電阻、電遷移性能方面亦能夠滿足行業(yè)要求。因此超低殘留焊膏使用，將有效減少?gòu)S家的生產(chǎn)工序，提升生產(chǎn)效率。

六、綜述

目前半導(dǎo)體分立器件行業(yè)發(fā)展迅猛，半導(dǎo)體企業(yè)在焊料使用工藝上也各有創(chuàng)新。隨著半導(dǎo)體企業(yè)與焊料企業(yè)、設(shè)備廠家的合作、開(kāi)發(fā)，焊料的質(zhì)量、性能將得到進(jìn)一步的提升。